面向临床应用的脑机接口技术研究

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1、博士学位论文面向临床应用的脑机接口技术研究作者姓名：肖君学科专业：模式识别与智能系统指导教师：李远清教授所在学院：自动化科学与工程学院论文提交日期：2018年3月ResearchonBrain-ComputerInterfaceforClinicalApplicationADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorofEngineeringCandidate:XiaoJunSupervisor:ProfessorLiYuanqingSouthChinaUniversityofT

2、echnologyGuangzhou,China分类号：０１７４学校代号：１０５６１学号：２０１０１０１０２９４８华南理工大学博士学位论文面向临床应用的脑机接口技术研究作者姓名：肖君指导教师姓名：、职称李远清教授申请学位级别：工学博士学科专业名称：模式识别与智能系统研究方向：脑机接口技术；意识障碍评估；脑信号分析２０１８３：２０１８６论文提交日期：年月论文答辩日期年３月１曰学位授予单位：２０１８年月日：华南理工大学学位授予日期答辩委√摘要大脑是人体最错综复杂的器官，不

3、同脑区的损伤可能造成各种脑神经功能的缺失或紊乱。脑损伤后的病人普遍存在认知、运动、社会交往多方面功能障碍，影响人类生活质量。中风后病人在受损大脑对侧的肢体存在运动功能障碍；严重脑损伤患者存活下来后也只能恢复有限的意识水平，从而存在意识障碍问题。因此，如何将脑机接口技术应用于脑损伤疾病的诊断和辅助病人的康复将是现在和未来脑科学前沿领域最重要的研究方向之一。本文的主要研究工作是设计多种脑机接口系统来辅助意识障碍的评估及运动功能的康复。目前，对意识障碍病人的临床评估都依据于传统的行为量表，而行为量表的评估因意识障碍病人的运

4、动损伤存在很大挑战。脑机接口可以直接探测大脑对外部刺激响应的内源性信号，可能提供一种补充或完善经典行为或者生理观察的方法。因此，我们设计了三种不同的脑机接口系统用于意识障碍病人的听觉惊吓、视觉定位和视觉追踪的辅助评估。首先，我们提出了听觉惊吓-脑机接口评估系统，采取偶发式的偏差刺激诱发病人的听觉事件相关电位-失匹配负波和P300，用于辅助评估病人的听觉惊吓反应。系统提出的非监督在线峰值检测算法可以实时检测被试的结果。参与评估的19位意识障碍患者，其中14位病人在昏迷恢复量表评估和脑机接口评估中结果是一致的，都是存在响

5、应的；还有2位病人是在两种评估方法中均无响应的；最后3位病人在两种评估方法中获得不一致的结果，行为量表评估中未观察到对应的行为反应，但脑机接口评估认为3位病人存在听觉惊吓。实验结果证明了脑机接口对听觉惊吓项目的评估比临床行为评估更为敏感，可以用来辅助听觉惊吓的行为评估。其次，设计了新颖的视觉定位-脑机接口评估系统，系统交互界面中包含四个不同方向(上、下、左、右)的刺激键(色彩明亮的球体图片)，其中一个在实验开始前被随机选为新的目标注视点。实验开始后，中间的球体键开始向目标位置移动，到达并与目标键重叠时，4个刺激键开始

6、闪烁，如果病人眼睛跟随移动键至新的目标点并保持注视2秒以上，则诱发出相应的P300。15位参与实验的意识障碍病人结果显示，4位病人在脑机接口系统评估中存在视觉定位，其中一位病人在昏迷量表评估中未观察到任何视觉定位的行为；2位在量表评估中已经具备更高级视觉功能的病人未能被脑机接口系统检测出视觉定位响应。剩下的9位病人在两种评估中均未显示视觉定位。与前期文献研究结合发现，很多意识障碍病人表现出更高级的行为反应但仍然没有显示出视觉定位的行为。因此脑机接口系统需要改进实验范式以提高视觉定位-脑机接口系统的性能。再次，本文继续

7、设计了新的脑机接口系统辅助评估量表中更高级的项目-视觉追踪。系统的用户交互界面包含位于上、下、左、右四个方向的4个刺激键，从中随机选取一个作为目标，并将此目标键重新放置于屏幕中间。实验开始后，目标键由中间位置向初始位置均速移动，同时四个键开始闪烁，病人被要求一直跟随注视此键直至结i束。刺激键的前景图片为实时采集到的被试头像，背景图片从十个不熟悉的人像中选取，闪烁即从前景变为背景。这种范式可以诱发出运动视觉诱发电位VEP，人脸识别相关电位N170以及偶发任务相关电位P300。参加视觉追踪评估的14意识障碍病人结果显示，

8、有七位病人的脑机接口评估结果与临床行为评估结果一致；剩余的七位病人在临床评估未观察到视觉追踪的行为，但这七位病人在脑机接口评估中都达到了显著水平的正确率，而且其中的五位病人在第二次临床评估中已经恢复了意识或者显示了视觉追踪的行为，再次证明脑机接口评估的合理性和有效性。由此可见，不通过行为表达的脑机接口技术对于诊断意识障碍病人是具有很大优势的。最